5G ワイヤレス インフラストラクチャの厳しいタイミング課題を解決する
タイミングはあらゆる電子システムの心臓の鼓動であり、 5G ネットワークは特にクロック ソースの精度、安定性、信頼性に依存します。 4G ネットワークで使用される従来のクォーツ タイミング デバイスは、今後の 5G ネットワークのより高い帯域幅とより狭いチャネルをサポートするという新たな課題に直面しています。 MEMS テクノロジーはこれらの問題を解決し、すべてのタイミング要件を満たしながら、衝撃、振動、急激な温度変化などの動的な環境ストレス要因が存在する場合に石英ソリューションよりも大幅に優れたパフォーマンスを発揮します。さらに、100% 半導体サプライ チェーンは本質的に、石英に比べて優れた品質と信頼性を備えた MEMS ソリューションを提供します。これは、5G アプリケーション向けに計画されているサービス品質をサポートするために重要です。
5G RRU タイミングの新たなトレンド
4G ネットワークから 5G ネットワークへの移行により、クラウド化と高密度化という 2 つの重要な新たなトレンドが生じました。音声およびビデオ アプリケーションのリアルタイム処理を可能にするには、コア ネットワークにクラウド テクノロジーを導入する、つまりクラウド化が必要です。 4G ではポイントツーポイントの物理リンクであるラジオ ヘッドと基地局の間の接続は、5G ではクラウドで維持されるパケットベースのネットワークを使用して確立されます。このパケット ネットワーク全体で時刻を同期するには、IEEE 1588 や進化型共通公衆無線インターフェイス (eCPRI) などの新しい標準の採用が必要であり、タイミング パフォーマンスと信頼性に関して新たな課題が生じます。
同時に、新しいモバイル サービスにより、ブロードバンドのセルラー トラフィックが増加すると予想されます。 5G データレートを高めるために、基地局とユーザー端末の間の距離は短くなり、それに応じてネットワーク内のセルサイトとノードの数も増加します。この無線アクセス ネットワークの高密度化は、5G ネットワークによってもたらされた根本的な変化であり、ユーザーが集中している大都市圏の容量を増やすためには不可欠です。携帯無線機は 5G の都市景観全体に普及し、電柱、街灯、建物の隅、街路脇の自治体の電源キャビネットなどに設置されるようになるでしょう。このような高密度化により、5G 無線は幅広い環境条件にさらされ、タイミング デバイスに高いレベルの性能が要求されます。
パケット遅延の変動
新しいリアルタイム 5G アプリケーションの提供を計画しているサービス事業者には、時刻同期されたネットワークが必要です。 IEEE 1588 および eCPRI テクノロジーにより、パケット ネットワーク上での時刻同期が可能になります。パケット ネットワークを介して中央ユニット (CU) をリモート ラジオ ヘッド (RRH) に接続すると、リンクの終端間を移動するパケットの時間遅延が変動します。このようなパケット遅延変動 (PDV) はネットワーク ジッターまたはパケット ジッターとも呼ばれ、ネットワークから得られる時間値にノイズを加えるため、リアルタイム サービスのユーザー エクスペリエンスを低下させます。 PDV はシステム内のさまざまな要因によって発生します。たとえば、スイッチなど、パケットを処理するアクティブなネットワーク要素は、さまざまな負荷条件の影響を受けます。この負荷は、処理するパケットの数とその処理の複雑さの関数であり、どちらもネットワークの使用状況に応じて時間の経過とともに変化し、PDV の主な原因となります。
RRH における PDV の影響は、IEEE 1588 サーボ ループ内で使用される発振器の安定性を高めることで軽減できます。このサーボ ループは、入力 PDV に対してはローパス フィルターとして機能し、発振器によって注入されたタイミング ノイズに対してはハイパス フィルターとして機能します。したがって、発振器が静かで安定しているほど、サーボ ループ帯域幅を低く調整して入力 PDV をフィルタリングし、リンクの他端に存在するタイム スケールを忠実に再現するクロックを出力できます。この「クリーンな」出力クロックは、発振器を正確に制御するために使用され、フィードバック ループが繰り返されます。
したがって、発振器の安定性は、5G ネットワークによって導出されるタイミング精度に直接影響します。発振器の最も一般的な安定性仕様は、温度に対する周波数安定性です。多くの場合、オシレーターはこの数値に合わせて特別に選択され、一般に全体の安定性の代用となると考えられます。ただし、この仕様では、温度勾配にさらされた場合の発振器の安定性を捉えることができません。ここで、dF/dT とも呼ばれる周波数対温度の傾きは、タイミング精度の重要な要素となる可能性があります。図 1 と 2 は、変化する熱環境において優れた安定性を提供するという点で、競合する石英デバイスと比較した SiTime Elite Platform™ TCXO の利点を示しています。
図 1: SiTime SiT5356 (1 ～ 60 MHz) およびSiT5357 (60 ～ 220 MHz) ±100 ppb TCXO は、業界をリードする低い周波数対温度勾配 (dF/dT) を備えており、これにより PDV フィルタリングが向上し、タイミング精度が向上します。リアルタイム サービスを適切に展開するために必要です。
図 2: SiTime SiT5356 (1 ～ 60 MHz) およびSiT5357 (60 ～ 220 MHz) ±100 ppb TCXO は、ティア 1 ±50 ppb 石英ベース TCXO と比較して、急速な温度勾配中に優れた安定性を提供します。 SiT5356/5357 のパフォーマンスは、独自の DualMEMS™ アーキテクチャと TurboCompensation™ 温度補償スキームによって実現されます [1]。
5G 無線の電子機器は対流冷却されるため、さまざまな熱条件にさらされます。 SiTime MEMS ベースのデバイスは、データシートの仕様を維持するための熱保護のために石英デバイスでしばしば必要となる、物理的カバーや専用の PCB キープアウト領域を必要としません。
環境衝撃と振動
5G ネットワークの高密度化は、トラック、電車、自動車、風、雷など、さまざまな発生源からの振動にさらされる屋外のさまざまな物体に無線機が取り付けられることを意味します。これらの無線機に搭載されている発振器は、リンクのドロップやそれに伴うオペレータへの罰金を防ぐために、振動中に安定した性能を維持する必要があります。図 3 は、振動下でのSiTime Elite Platform TCXOの堅牢性を、振動中に劣化し、振動が続く限り仕様を超える可能性があるクォーツ TCXO と比較して示しています。近くに長い貨物列車がある場合は数分かかることもありますが、風の強い日にはさらに時間がかかることもあります。このような堅牢性は MEMS アーキテクチャに固有のものであり、石英デバイスで一般的に必要とされる高価なハウジングや熱的および機械的保護が不要になります。
図 3: SiTime MEMS 発振器は、石英デバイスと比較して優れた衝撃および振動性能を提供し、5G ネットワークの高密度化のためのより多くのオプションを可能にします。示されているデータは、MIL-STD-883F、Method 2026 に準拠した 7.5 g RMS のものです。
品質と信頼性
高密度化には、5G 無線の広範な展開に対するサービス コールを最小限に抑えるために、より高いレベルの品質と信頼性も求められます。 5G RRU の高精度 TCXO および OCXO デバイスは、4G には存在せず、アクセスが困難な障害に対応するための新しい場所を提供します。
SiTime MEMS 発振器には、水晶デバイスに比べて固有の利点があり、極限環境でもより確実に動作することができます。 SiTime は、共振器がシリコン内に完全にカプセル化され、微小真空チャンバー内に密閉される MEMSFirstTM プロセスを開発しました [2]。非常に小さな質量の共振器とその硬いシリコン結晶構造の組み合わせにより、共振器は耐久性があり、衝撃や振動などの外部応力に対して非常に耐性があります。また、水晶とは異なり、オールシリコン MEMS 共振器の経年変化は無視できます。さらに、発振回路に統合された最適設計の電圧レギュレータが電源ノイズを除去し、ノイズの多い環境でも安定性を維持します。これらの機能により、石英デバイスと比較して、SiTime MEMS 発振器の品質と信頼性レベルが向上し、現場での故障が少なくなります。
SiTime MEMS と水晶デバイスの比較
5G RRU 機器で使用する従来の石英 TCXO と比較した SiTime Elite Platform TCXO の主な利点は次のとおりです。
- 50 倍優れた品質 (DPPM)
- 信頼性 (MTBF) が 30 倍向上
- 20 倍優れた機械的衝撃耐性 (MIL-STD-883 Method 2002)
- 急速な温度勾配が存在する場合でも周波数安定性が 10 倍向上
- 3 倍優れたランダム振動耐性 (MIL-STD-883、Method 2007)
- 周波数のジャンプやアクティビティの低下はありません
- 優れた電源ノイズ除去能力
これらの利点により、5G RRU 機器に設計された Elite Platform TCXO により、環境条件に関係なく、単一の無線設計をグローバルに展開することができます。このような設計により、開発時間が節約され、市場投入までの時間が短縮され、生産が合理化されます。これらの無線が提供する堅牢なタイミングは、現場に導入されると、5G サービスの中断を最小限に抑え、より良いユーザー エクスペリエンスを保証します。
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[1] SiTime Corp.、「DualMEMS および TurboCompensation 温度検知テクノロジー」、テクノロジー ペーパー。
[2] SiTime Corp.、 「 SiTime の MEMS First および EpiSeal™ プロセス」、アプリケーション ノート 20001。